System-of-systems modeling and simulation for the risk analysis of industrial installations and critical infrastructures

• Main Author: Ferrario, Elisa
• Other Authors: Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Language: en; fr
• Published: 2014
• Subjects: Système des systèmes (SdS); Analyse de risques; Simulation Monte Carlo; Analyse d’intervalle; System-of-systems (SoS); Risk analysis; Monte Carlo simulation; Interval analysis
• Online Access: http://www.theses.fr/2014ECAP0046/document

Le travail de recherche propose et développe un cadre de système des systèmes (SdS) pour l’analyse de risques des installations industrielles et des infrastructures critiques. Les méthodes pour la représentation, la modélisation et la simulation d’un système sont développées pour identifier les particularités du SdS quant à leur vulnérabilité et leur résilience physique à des défaillances aléatoires et risques naturels. Plusieurs techniques de représentation, telles que l’arbre de défaillances, le Muir Web, la modélisation hiérarchique, le Goal Tree Success Tree – Dynamic Master Logic Diagram, sont étudiées et approfondies depuis l’origine pour s’adapter aux objectifs de l’analyse de SdS. Une méthode de représentation est développée ex novo, à savoir, le graphe hiérarchique. Dans ces cadres de représentation, des états binaires et multiples sont utilisés pour modéliser les performances des SdS à analyser. La simulation Monte Carlo et l’analyse d’intervalle sont combinées pour évaluer quantitativement des modèles de SdS en présence d’incertitude (due à la variabilité naturelle d’un phénomène ou au manque d’information). La mise en oeuvre de ces approches est illustrée dans deux domaines d’application : l’évaluation du risque d’événements externes et la vulnérabilité d’infrastructures critiques. === This thesis propounds and develops a system-of-systems (SoS) framework for the risk analysis of industrial installations and critical infrastructures. System representation, modeling and simulation methods are developed to capture the peculiar features of SoS, with respect to their vulnerability and physical resilience to random failures and natural hazards. Several representation techniques of literature, i.e., Fault Tree, Muir Web, Hierarchical Modeling, Goal Tree Success Tree – Dynamic Master Logic Diagram, are explored and originally extended/tailored to fit the purpose of SoS analysis. One representation method is developed ex-novo, namely the Hierarchical Graph. Within these representation frameworks, binary and multiple states are used to model the performances of the SoS under analysis. Monte Carlo simulation and interval analysis are combined for the quantitative evaluation of the SoS models in presence of uncertainty (due to both randomness and lack of knowledge). Examples of analyses are carried out within two application areas: external event risk assessment and vulnerability of critical infrastructures.